包含有采用飛秒激光燒蝕步驟的生產微米級或納米級機械零件的方法技術

生產微米級或納米級機械零件例如用于鐘／表制造中的皮帶輪或皮帶的加工方法，此方法包括借助飛秒激光器進行激光燒蝕的步驟，這種飛秒激光器具有持續時間小于５×１０↑［－１３］秒而在光束／材料界面上的功率大于１０↑［１２］瓦的脈沖。擬機加工的零件按三維尺寸光建模，而此三維模型則是用來產生機加工程序的。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及生產微米級機械零件與納米級機械零件的方法本專利技術還涉及由上述方法生產的零件，而這些零件是用于鐘表制造業領域或此外的領域，例如測量儀表、光學、光電子學等，或需要高的加工精度的其他領域，但不包括燒蝕生物材料的領域。本專利技術還涉及生產傳動件，例如皮帶、皮帶輪、齒輪等，特別是用于鐘/表制造中的那些傳動件的方法
技術介紹
國際申請WO04006026描述了利用皮帶或皮帶輪進行傳動的鐘/表制造裝置。設有齒輪或其他類型的同步或異步傳動裝置的鐘表機件是周知的。但是常常需要使這類機件的零件微型化。這些不同傳動裝置的生產由于人們所希望采用的尺寸與材料而受到嚴格限制。就所涉及到的幾何結構與精度而論，這方面的要求是嚴苛的。這樣，在生產常常是小尺寸的，且是由非金屬的、聚合的、有機或復合材料制的軟性機械傳動件例如皮帶，或是軟性或剛性機械零件時，就會帶來很大的困難。這些零件的尺寸通常小于2mm而齒距小于2mm，甚至約百分之幾毫米。內行人將碰到下述問題-難以進行機加工或難以控制機加工過程；-材料的可控行為(理化性質)差；-不適合于用模型制造然后來復制復雜的特別是翹曲的表面；-難以采用分層的或復合的材料；-難以引入功能性形狀例如齒圈形狀的清晰輪廓；-在皮帶情形，缺乏牽引力增強件或低摩擦系數外套。為此，在現有技術中需要有新的方法來生產允許在尺寸比例(分辨率)從毫米(10-3米)到納米(10-9米)條件下進行機加工的機械零件。最好是，這種方法能無區別地適合所有材料，或在任何情形下都可適合于大類材料。這種機加工應該建立在對被加工的微米級或納米機械零件，例如傳動件，所進行的幾何描述基礎上。還需要有尺寸減小了的且制造公差極小的新型零件或元件，例如新型的皮帶輪與皮帶，它們是不能用常規的制造方法生產，因而也是以前未曾設想到的。用大功率激光器及加工零件的方法在先有技術中是周知的。例如，應用連續的或是具有“長”脈沖(大于500飛秒)的YAG或CO2激光二極管是對材料如金屬材料或聚合物準分子進行機加工的相當標準的方法。這些方法，當用來進行小尺寸加工時，或是用來加工不能經受振蕩或受到加熱約束的材料時，是有局限性的。事實上業已觀察到，在通以脈沖的過程中，即使是連續的過程中，材料中的熱傳輸也會限制燒蝕區的精確度。此外，常規激光器的燒蝕區與光束的柱形相一致，這就限制了可以機加工的形狀。機加工的深度則取決于激光束的功率以及材料的性質，而這是難以控制的。
技術實現思路
本專利技術的方法是以利用超短脈沖激光束來燒蝕物質，對小尺寸的零件進行機加工為基礎的。特別是，本專利技術是基于在激光束/材料的相互作用面上利用具有持續時間不到500飛秒(5×10-13)而功率大于1012的激光脈沖來進行燒蝕。這些脈沖是由后面稱之為飛秒激光器的特殊的激光器產生的。上述這類飛秒激光器是已知的，其技術現在已經很好地掌握，結果使得這類設備緊湊、多用途化和可靠。這類激光器的多種多樣性不斷增大今天所能實現的光束覆蓋了整個電磁波譜，從X射線到T射線(兆兆赫射線，超過了紅外線)，最大功率達到拍它瓦(若干個1015瓦特)。這些裝置主要用于物理學、化學、生物學、醫學與光學。由于上述裝置脈沖的持續時間極短，從而能夠研究發生在顯微鏡下的或原子級下的超高速現象。此外，在極短的脈沖時間中能產生極大的功率，形成一種極端狀態，常常可與那些在聚變反應堆中遇到的情形相比。在用這種超短脈沖激光來制造微型機械元件時有以下優點-高的機加工精度； -在幾乎無熱的(熱中性的)條件下燒蝕材料；-存在只是在“光束腰部”的焦點處才有的效果，特別是對于透明材料情形，此光束能夠透過整個厚度在物質中的這樣的點上進行加工，不改變其表面，也不改變其行經途徑上的物質。-此光束能夠在遠距離以及所有角度下操作；-對所加工材料沒有限制；-通過調節激光器，使得只要是在最大功率所集中的中心部位的強度大于材料的燒蝕閾值(控制焦平面上的能量密度)，就能夠獲得小于激光束寬度的分辨率。-就燒蝕面而言，不需如機加工那樣地費力。運用飛秒激光進行材料燒蝕已如上所知，并且在Kautek et al的《Femtosecond pulse laser ablation of metallic，semiconducting，ceramic，and biological materials》，SPIE vol 2207，pp.600-511，Apr.1994以及Liu，X，et al的《Laser Ablation and Micromaching with Ultershort LaserPulser》Oct.1997，IEEE Journal of Quantum Electronics，vol.33，N10，pp.1706-1716等論文中有所描述。美國專利USRE37585描述了借助脈沖激光束破壞物質的方法，其特征在于能量密度的破壞閾值(Fth)對寬度(T)之比表明了用于此激光束預定的寬度值的梯度的一種急劇、快速和清晰的偏轉，或者至少是可清楚探測到的并且清晰的偏轉。本專利技術方法的顯著優點得益于運用了持續時間特短、功率特高的脈沖。在這種極端狀態下，可以用相同設備對差異極大的材料進行精密加工。盡管如此，這種脈沖的功率或持續時間仍能適用于上述材料，或者適應于機加工零件一部分時所需要的速度及精密度。本專利技術還特別根據了下述觀測結果運用功率極高的、大大超過常規激光的機加工方法，使得激光束能夠放射形成一個幾乎瞬間的、爆炸性的升華。盡管空間尺寸很小，但機加工速度相對較快。再者，通過在一個極短的時間后中斷光脈沖，燒蝕作用就被限制在直接放射的區間里，而不會觸及到相鄰部分。因此，所采用的這種極大的功率使得待機加工的零件能夠極其清楚地切割出陡峭邊沿。本專利技術還基于下述觀測結果飛秒激光適用于機加工新類型的零件和新材料，特別是尺寸很小、精密度很高的零件，尤其是那些之前并無人建議使用飛秒激光(技術)的鐘表元件。本專利技術還涉及用飛秒激光器制造且具有以前認為幾乎無法實現的尺寸、精確度和表面狀態的零件。本專利技術的方法也使機加工尺寸等于或小于2mm或最好是小于1mm的零件成為可能，上述尺寸被計算總長并且定義為連接一個零件的沿同一方向兩個最遠的點的線段的長度。本方法也使機加工齒狀件的深度不到2毫米甚至不到0.5毫米的零件變得可能。上述零件最好通過微型操作器來保持，以保證零件表面的定位和取向能相對于激光束的取向進行加工。被加工零件能夠通過由具有間隙補償或更新功能的微米級甚至納米級自動加工程序控制的多軸系統來保持。零件的運動是很小的，非常之快，與激光器或輔助光學器件的運動相比，通常要快得多，并且具有更高的精度和可重復性。不過也有可能同時甚至單獨地移動激光器或偏離激光束。通過至少在一個平面上(X軸和Y軸)沿著C軸旋轉，最好是沿著垂直于該平面的Z軸，并且/或者沿著兩條垂直的A軸和B軸旋轉將零件傳送至機器，則燒蝕區能夠得到調整。如前所述，也能設想激光器或相關光學器件的位移情形。此外，根據平行于Z軸的方向能夠控制焦距。通過取得了與機加工形狀的描述相對應的數據的機加工程序，能夠控制位移過程。這種描述以數學形式給出，而此機加工程序則決定激光束用于生成這些形狀所要不斷地或逐步地經過的路徑。本專利技術是建立在利用新的曲線族并考慮飛秒本文檔來自技高網...

【技術保護點】
生產微米級或納米級機械零件的方法，其特征在于：此方法包括有激光輔助燒蝕步驟，所利用的激光具有持續時間小于５×１０↑［－１３］秒和在光－材料界面上的功率大于１０↑［１２］瓦的脈沖。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：G塞蒙，
申請(專利權)人：豪雅公司，
類型：發明
國別省市：CH[瑞士]